TW200914391A - Insulation paste for a metal core substrate and electronic device - Google Patents
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Description
200914391 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於製造形成於金屬核心基材上之絕 緣層之絕緣糊。另外’本發明係關於一種使用此絕緣糊生 產之電子裝置。 【先前技術】 近年來’金屬核心基材頻繁地被使用作為各種型式之電 子和電氣裝置以及半導體裝置之電路基材。金屬核心基材
具有形成於由各種類型之金屬或金屬合金諸如銅、鋁、 鐵、不銹鋼、鎳或鐵鎳合金所製成之板狀金屬基質上的電 子電路,及在基材和電子電路之間的絕緣層。例如,日本 專利特許公開申請案第H1丨—330309號中揭示具有有機絕緣 層之金屬核心基材。 電子部件係透過焊料安裝於上述基材上,並有必要藉由 7人滿,¾、的連接來減少在電子電路和焊料之間的接觸電 阻。
度 另外,還需要電子電路在金屬核心基材上之位置準確 金屬核心基材上之絕緣層係藉由⑴含有心填料之有機 材枓諸如環氧樹脂或(ii)諸如玻璃/陶£之無機材料經過培 燒處理來提供。 ,觀察到在玻璃系統内存在關於在絕緣層上在電子電路 和焊料之間之接觸電阻不斷 作A㈣“法 斷“口的問4。在使用玻璃材料 作馬絕緣層之情況中,當掉掠 田大口粍導體糊時,玻璃會容易地擴 132434.doc 200914391 散至絕緣層上之導體薄膜内,並且玻璃會滲出至導體薄膜 之表面上。該滲出會增加在絕緣層上在導體薄膜和焊料之 間之接觸電阻並且減小兩層之間之黏著強度。 另外’在培燒導電層期間絕緣層可回焊(re_fl〇w)。此回 焊導致導體圖案從目標位置移動。 需要經由防止在焙燒導體糊期間玻璃從絕緣層擴散至導 體薄臈來改進製得電子裝置之特性。 【發明内容】 本發明係關於一種可避免在焙燒期間玻璃從絕緣層擴散 至導體溥膜問題之用於金屬核心基材之改良絕緣糊。本發 月之絕緣糊包含(a)玻璃粉末,和(b)有機溶劑,糊中包含 氧化鋁(八丨2〇3)和二氧化鈦(Ti〇2)之一者或兩者作為玻璃擴
明之絕緣糊可包含破璃擴散抑制劑作為玻璃粉末之成分及/ 或作為添加劑,亦即作為陶瓷粉末。 在本發明中,玻璃粉末較佳具有32〇。〇至48〇^之轉化點 和3 70 C至5601之軟化點。 種包含由上述絕緣糊形成之絕緣層
132434.doc 本發明進一步關於一 之電子裝置。此電子奘 200914391 之含量為12至50重量%,較佳為12至3〇重量%。 在本發明電子褒置之變形中,絕緣層可由兩個或更多個 層壓絕緣層所組成°在該情況下,僅與電子電路接觸之絕 緣層可包含玻璃擴散抑制劑。 使用本發明之絕緣糊t狀f子裝置在導體薄膜和焊料 之間具有令人滿意的接面和低接觸電阻。 另外,在使用本發明之絕緣糊的情況中,可防止在焙燒
期間絕緣層上之導體薄膜(電子電路等等)從目標位^ 動。 【實施方式】 本發明為-種用於金屬核心基材之絕緣糊。本發明之絕 緣糊包含(a)玻璃粉末和(b)有機溶劑,且糊中包含氧化銘 (2 3)#-氧化鈦(Τ1(32)之—者或兩者作為玻璃擴散抑制 如此’本發明Μ於金屬核心基材之絕緣糊在絕緣糊中 包含Al2〇3、加2或兩者作為玻璃分散抑制劑。在本說明 中,玻璃擴散抑制劑係指八丨2〇3、Ti〇2或兩者。 本發明之絕緣糊可包含玻璃分散抑制劑作為玻璃粉末之 成分’作為陶£粉末或作為陶究粉末和玻璃粉末之成分。 在本發明中’ Al2〇3及/或丁丨〇2以玻璃粉末之成 人 (Ah〇3及/或Ti〇2係以玻璃結構之網絡結構的成分被I 含)’或及/或⑽係以陶究填料或與破璃粉末分開的 粉末添加至絕緣糊(A丨2〇3及/或叫未經包括作為玻璃結構 之網絡結構的成分)。本發明還包括八咏及,或L物包 132434.doc 200914391 含作為玻螭結構之網絡結構的成分和陶瓷填料且亦作為陶 曼填料之情況。 舉例來說,具有Abo3及/或Ti〇2作為網絡結構之玻璃係 經由將矽、硼、鉍及其他金屬之金屬氧化物與鋁和鈦之金 屬,化物或水合物混合’然㈣化、淬火及碎玻璃化而製 備得。接著,使該碎玻璃經受濕式或乾式機械壓碎,在濕 式壓碎之情況下隨後進行乾燥步驟,而獲得粉末。在具二 理想粒徑之情況下,可隨後視需要實施筛選分類。” 以絕緣糊中無機成分之含量計,作為玻璃擴散抑制劑之 从〇3及/或τκ>2之含量為u至5〇重量%,較佳為以 量%。 在絕緣糊中Al2〇3和Ti〇2兩成分以其重量比計之比為 A12〇3:Ti〇2=l〇〇:〇 至 〇:1〇〇。 佳=發明之用於金屬核心基材之絕緣糊中,玻璃粉末較 佳具有3机至彻t之轉化點和3听至56代< 軟化點。 f有该轉化點和軟化點之玻璃粉末可以在65(TC或更低之 燒溫度下製造具有優越特性之金屬核心基材, :盡:對玻璃粉末之粒徑及其他性能並無特 璃粉末較佳具有例如〇 彳一坡 粒徑小於(M / 陶之平均粒徑(⑽)。如平均 】於〇,1 μηι,糊分散將變差,而如 _ ’則焙燒後將形成諸如* U過5 獲得緻密膜。成“工隙和針孔之缺陷’因此難以 以下提供本發明用於令遥 的說明。 、金屬核心基材之絕緣糊之每種成分 132434.doc 200914391 i. 玻璃粉末 通常使用在用於金屬核心基材之絕緣糊中之玻璃粉末為 硼矽酸鉛玻璃或鉍-鋅-矽石-硼玻璃之類型。其具體實例包 括揭示於曰本專利特許公開申請案第2002-308645號中之
玻璃(Bi203:27 至 55%,ZnO:28 至 55%, 82〇3:10至3〇%, Si〇2:0 至 5%,Al2O3:0 至 5%,La2O3:0 至 5%,Ti〇2:〇 至 5% Zr〇2:0 至 5%,Sn02:〇 至 5%,CeO2:0 至 5%,吨〇:〇至5%, CaO:0^5%, SrO:0^5〇/〇, BaO:0^5〇/〇, Li2〇:〇^2〇/〇, Na2〇:〇 至2%,K2〇:〇至2%)’以及揭示於曰本專利特許公開申請案 第 2003_34550 號之玻璃(Βί2〇3:56 至 88%,b2〇3:5 至 3〇〇人
Sn〇〇2 + Ce〇2:0至 5%,仏〇:〇至2〇%,Si〇2:〇至 i5%, Ai2〇3:〇至 /〇’ Τι〇2.〇 至 10%,ZrO2:0 至 5%, 1^2〇:〇至8%,^2〇:〇至 8%, K2〇:〇^8〇/0j Mg〇:〇^10〇/〇5 CaO:〇^10〇/〇j SrO:〇^l〇〇/〇5 Ba〇:〇至 1〇%,CU〇:〇至 5%,V2O5:0至 5%,匕〇至5%)。 , 2 Al2〇3 和 Ti〇2 粉末 並無 ,平 儘管對能用於本發明之絕緣糊之Ah和丁从粉末 特別限制’但鑒於如上關於玻璃粉末敍述之相同原因 均粒徑較佳為0.1至5 μιη。 3 ·有機溶射 本發明之絕緣糊包合古她^ 別限制m 彳機“。料機溶咖型並無特 基卡Lr 實例包括“品醇、丁基卡必醇、丁 丞卞必醇醋酸酯、 有機溶劑還可包二機基己醇和镇油精。 機黏結劑之實例,/ 為樹脂溶液之形式。有 ^乙基纖維素樹脂、冑丙基纖維素樹 132434.doc •10- 200914391 脂、丙稀酸系樹脂、聚酉旨樹脂、聚乙烯醇縮丁酿樹脂、聚 乙烯醇樹脂、松香改性樹脂和環氧樹脂。 此外,也可添加稀釋溶劑以調整純。稀釋溶劑之實例 包括4品醇和丁基卡必醇醋酸酯。 4. 添加劑 . 彳將或可不將增稠劑及/或穩定劑及/或其他常用添加劑 (比如燒結促進劑)添加至本發明之絕緣糊。可添加之其他 “劑之實例包括分散劑和黏性調節劑。添加劑之量取決 ㈣最終所要求之特性。擅長該項技術者可適宜地決定添 加劑之量。而且’還可添加多種類型之添加劑。 本發明之絕緣糊可使用三輥磨等等適宜地生產。 本^月還包括-種使用上述用於金屬核心基材之絕緣糊 之電子裝置。 本發明之電子裝置係使用於其巾應_電路基材和半導 體基材之不同領域中,其實例包括但不限於電源裝置、混 I, &積體電路、多晶片模組(MCM)和球柵陣列(bga)。 圖1不意性地顯示使用金屬才亥心基材之電子裝置⑽之構 。參考錢1G2指示板狀金屬基f,1()4指示絕緣層及 1〇6指不電子電路。如圖1所示,將絕緣層104設置於板狀 金屬基質上,並且將電子電路形成於該絕緣層i。另外, 鑒於耐用性,將除利用焊料1 1 〇連接到端子部分諸如電子 組件、封裝組件或模組組件等等之該等部分外的電子電路 106覆蓋保濩臈108。對絕緣層、電子電路等等之厚度或其 他條件並無特別限制。此等條件可在一般用於使用金屬核 132434.doc 200914391 心基材之電子裝置之條件範圍内。 板狀金屬基質1G2可由經不同金屬或合金如銅、無 鐵不銹鋼、錄或鐵鎳合金製成之板狀基質所構成。此 金屬或合金中亦可包含諸如無機顆粒(如sic、a丨山” AIN、BN、WC或SiN)、無機填料、陶竟顆粒或 之各種材料以改進電子裝置之特性。 皮真詞 板狀基質亦可為由多種材料組成之層壓板形式。 刚述本發月之用於金屬核心基材之絕緣糊係用於絕緣層 在本發明之電子裝置中,絕緣層104可以由單層組成 圖斤不)或可由包括兩種或多種類型絕緣糊之多芦 (兩層之實例示於圖1B)。在絕緣層係由多層組成:情: 發月之用於金屬核心基材之絕緣糊需用於至少最上 層1〇4”(其上形成電子雷政主乂被上 電路之層)中。因此,在本發明中, 在絕緣層係由多厗έ 子電路之層… 下’除最上層(其上形成電 于%路之層)外之層1〇4 吏用本發明之用☆金屬核心基材 色緣糊或另—種絕緣糊。 在電子電路1〇6中佶 盆 使用導體糊。對導體糊並無特別限 制”限制條件為其係當 電路時使用。W . 基材之絕緣層上形成 雨 人 〇 ,導體糊包含傳導金屬和媒介物,且視 僂3玻螭粉末、無機氧化物等等。對100重量%之 傳導金屬,玻璁扒士 里Ϊ /〇& ^0/ . s , 末、無機氧化物等等之含量較佳為10重 里/〇或更少,更伟 ^ , s 為〇至5重量%且再更佳為〇至3重量%。 傳導金屬較佳為金、銀、銅、把、翻、錄、銘或其合 132434.doc 200914391 金。傳導金屬之平均粒徑較佳為8_或更小。 玻璃粉末之實例包括石夕酸如址,志 7駛鈍坡璃、硼矽酸鉛玻璃和鉍 -鋅-矽石-硼玻璃。另外,盔機4 • …械乳化物之實例包括Al2〇3、
Si02、Ti〇2、MnO、Mg〇、ZrO 〇 ^ 2、CaQ、Ba〇和 c〇2〇3。媒 介物之實例包括黏結劑樹脂(如乙 , 土纖、准素樹脂、丙稀酸 糸樹脂、松香改性樹脂或來7、陡# 日次汆乙烯醇縮丁醛樹脂)和有機溶 劑(如丁基卡必醇醋酸酯(BCA)、銶0 ^ ^ 、~ 巾S品醇、酯醇、:bc或 TPO)之有機混合物。
導體糊係藉由(例如)利用混合 三輥磨分散等等適宜地生產。 器混合以上每一成分和用
本發明之電子裝置可使用(例如)如圖2所示之方法製 造。圖2為顯示包含單層絕緣層之電子裝置之製程之一實 例。百先’製備板狀金屬基質1〇2(圖2八)。接著藉由(例如) 網印將本發明之用於金屬核^基材之絕緣糊印刷到該板狀 金屬基處上隨後再培燒而獲得絕緣層1 〇4(圖2B)。在形 成多層絕緣層之情況中,對於期望的層數重複此步驟。然 後藉由網印等等將用於形成電子電路1 〇 6之導體糊以期 望圖案印刷在絕緣層上,隨後再焙燒(圖2C)。緊接著,藉 由網印等等以期望圖案印刷保護膜1〇8(圖2D)。在此情況 下’印刷保護膜以覆蓋除藉由焊料丨〗〇連接至電子組件、 封裝組件或模組組件等等之端子部分之該等部分外的所有 組件。在保護臈由玻璃或玻璃和陶瓷構成之情況下,其焙 燒溫度等於或低於導體糊之焙燒溫度。在使用諸如環氧樹 脂之有機材料作為保護臈之情況下,保護膜係經由在1 〇〇 132434.doc 200914391 至扇c乾圍内之溫度下熱固化而形成。隨後1 印刷於該等連接到每個組件之端子部分的部分,及於將: 專組件安裝在其狀位置後,經由在焊料回焊烘箱内焊接 而安裝該等組件(圖2E)。 在本發明’絕緣糊係用於金屬核心基材(或在絕緣層由 多層組成之情形下至少在最上層)。如此可防止如於過去 當在㈣C或更低之培燒溫度下在金屬核心基材上形成絕 緣層和電子電路時造成問題的玻璃從絕緣層擴散至導體薄 膜内。因此,導體和焊料之間之接觸電阻可降低,且可在 絕緣層上形成具有可焊性和電子電路之準確位置之可靠電 子電路。 實例 儘官以下透過實例提供本發明之詳細說明,但此等實例 僅意欲說明而非限制本發明。 (A)製備用於金屬核心基材之絕緣糊和導體糊 根據表1所示之配製量製備用於金屬核心基材之絕緣糊 和導體糊。 [表1] 材料 AI2O3 和 Ti02之總 重量百 分比 糊樣本號 銀糊 A (wt%) B (wt%) C (wt%) D (wt%) E (wt%) 玻璃A 19.2 86 - - - 玻璃B 14.3 79.4 - - - 玻璃C 2.1 - - 81.3 - 玻璃D 0.5 - 81.3 - 132434.doc •14· 200914391 銀粉 樹脂溶液 ----- 稀釋溶劑 - 86.3 9.6 10.2 3.1 -— 3.1 10.1 4.4 10.4— 15.6 — 15.6 3.6 表中所示之各材料係如下所述 玻璃A .使含有八丨2〇3作為玻璃網絡組成物之玻璃(基於 BhCVSiCVB2。3之玻璃)熔化和淬火然後添加wo]陶瓷 填料,接著再混合(Al2〇3:Ti〇2=4 8:14 4)。
玻璃B ·使含有八丨2〇3作為玻璃網絡組成物之玻璃(基於 Bi2〇3 Si〇2_B2〇3之玻璃)熔化和淬火然後添加陶瓷填 料’接著再混合(Al203:Ti0产3.0:11 3)。 玻璃C·使含有八丨2〇3和Ti〇2作為玻璃網絡組成物 (AhOyTiOfion)之玻璃(基於出2〇38丨〇2_82〇3之玻璃) 溶化和淬火。 玻璃D:使含有八丨2〇3作為玻璃網絡組成物(Ai2〇f 〇 5)之 玻璃(基於Bi2〇3_Si〇2-B2〇3之玻璃)熔化和淬火。
Al2〇3 :平均粒徑:0.4 至 0.6 μηι Ti02 :平均粒徑:〇·4至0.6 μηι 銀粉:具有1·4至1.6 μηι之平均粒徑的球狀粉末 樹脂溶液:溶於祐品醇中之匕其總祕主u 吁τ I 〇暴纖維素樹脂(乙基纖維 素樹脂:祐品醇= l〇:90(wt/wt)) 稀釋溶劑:萜品醇或丁基卡必醇醋酸酉旨 根據每種糊的配方將各成分稱重於容器中,然後用混合 器混合及用三輥磨分散。 (B)在金屬核心基材上形成絕緣層與電路 在金屬核心基材上形成絕緣層和銀導體電路。形成電路 132434.doc -15- 200914391 基材之方法係如下所述。 开> 成方法1 (實例1、2、3、4、5和比較實例1和2)
經由網印將第一絕緣糊(底層)於不鑄鋼(SUS43〇)基材(板 狀金屬基質)上印刷至20 μιη之焙燒後厚度。然後,將基材 在帶式爐中焙燒總計30分鐘,其中1〇分鐘保持在55〇。〇下 而獲得絕緣層i。然後,經由網印在與第—絕緣糊相同之 條件下將第二絕緣糊(頂層)印刷在絕緣層丨上,隨後再焙 燒。如此形成絕緣層2。最後’將銀糊在第二絕緣層上印 5 μιη之培燒後厚度’經由在如絕緣糊之相同條件下 培燒而形成銀導體電路。 形成方法2(實例6、7和比較實例3和4) 經由網印將絕緣糊於不錢鋼(sus43〇)基材(板狀金屬基 細)上印刷至20 μηι之培燒後厚度。將基材在
::::鐘…分鐘保持在戰下。然後,將銀I 相同之:印刷至15 _之培燒後厚度’接著在與絕緣糊 ° “件下焙燒,而形成銀導體電路。 (C)評估 之可焊性 實例之電路基材的⑴銀導體電路上 (11)銀導體電路之黏著強度,及㈣銀導體電路 :形之位置準確度。每種評: 案形成之電路進行。 圚3所不之照片圖 (1)銀導體之可焊性 枝㈣中製備得之具有絕緣層及銀導體電 核心基材以由9S V瓶电路之金屬 • 3.5/0.75比例之錫、銀和鋼所組 132434.doc -16- 200914391 錯焊料於24〇〇C下焊接10秒。隨後,觀察於導體上之可焊 性。結果如表2所不。此外,評估規格如下所述。 評估規格: & ° 〇κ ·· 95%或以上之焊料黏著於2職2的銀導體表面圖案 =:難至小於95%之焊料黏著於2 w的銀導體表面 NG:小於嶋之焊料黏著於2_2的銀導體表面圖案 (11)銀導體黏著強度 使用由95.75/3.5/0.75比例之錫、銀和銅所組成之無料 料將鍍锡銅線附著於2 _2的銀導體圖案,然後利用拉伸 試驗機測量銅線垂直於基材之剝離強度。結果如表2 示。 (iii)銀導體圖案之位置準確度 對〇·5 mm(寬)xi〇〇 mm(總長)尺寸之銀導體電路圖案(當 面對圖3中頁面時在左側的圖案),及形成於絕緣層上之^ 細銀導體電路圖案(當面對圖3中頁面時右上方的圖案)觀察 自預定位置之位移量。將未發生位移評估為〇κ,而將發 生位移評估為NG。結果顯示於表2。 如從圖3中照片清楚顯示,在使用本發明之用於金屬核 心基材之絕緣糊的實例1至7中,電路圖案沒有位移(照片 中之左側和右上角)。另一方面,在比較實例1至4之電路 圖案中發生位移。 132434.doc -17- 200914391 導體圖 案位置 OK OK OK OK OK OK OK NG NG 1 NG NG 焊接導體 後之黏著 強度(N:平 均值)! τ—Η 15.2 18.9 〇 00 oo 16.4 14.4 o o 〇 o o o o o 導體可焊性 OK OK 〇 邊緣 邊緣 OK OK NG NG NG NG | 層結構 I 銀導體電路之糊 (Ag) _1 W ω ω ω W w ω ω ω ω ω 絕緣層2之絕緣糊 _i < CQ PQ CQ CQ 1 1 u Q 1 1 1 絕緣層1之絕緣糊 < 03 < U Q < m u Q u Q 實例 實例1 實例2 實例3 實例4 實例5 實例6 實例7 比較實例l 比較實例2 比較實例3 比較實例4 132434.doc •18- 200914391 (D)實例1至7和比較實例 觀察結果 至4之電路基材之電子顯微鏡 圖4顯示形成於圖3中央之矩形圖案(銀導體)表面之電子 顯微照片。在實例1至7中,在銀導體表面上防止玻璃從絕 緣層擴散至導體薄膜。另-方面,在比較實例U4t,從 圖4中清楚地觀察到玻璃成分已從絕緣層擴散至銀導體電 路表面上。 如仉k些實驗結果中所清楚顯示,使用本發明之用於金 屬核〜基材之絕緣糊能夠在絕緣層上形成可靠的電路,該 電路具有銀導體電路之可焊性且銀導體電路中沒有位移, 同h還了降低在導體和焊料之間之接觸電阻。 【圖式簡單說明】 圖1顯示一使用金屬核心基材之電子裝置之示意圖,其 中圖1A顯示單一絕緣層情況之實例,及圖⑺顯示多層 絕緣層情況之實例; 圖2A至2E係用於解說圖1A電子裝置之製程之圖式; 圖3顯不在實例丨至7中形成之電路基材之照片。(實例之 照片在此等圖上標示為3A_3G。比較實例丨至4之照片標示 為 3H-3K)。 圖4顯示在實例1至7和比較實例1至4中形成之電路基材 上導體薄犋表面之電子顯微照片(實例1_7之顯微照片在此 等圖上標示為4 A-4G。比較實例1至4之顯微照片標示為 4H-4K)。 【主要元件符號說明】 132434.doc -19- 200914391 100 電子裝置 102 板狀金屬基質 104 絕緣層 104' 絕緣層之下層 104" 絕緣層之最上層 106 電子電路 108 保護膜 110 焊料
132434.doc 20-
Claims (1)
- 200914391 十、申請專利範固: 1. -種用於金屬核心基材之絕緣糊,其包括: (a)破璃粉末,和(b)有機溶劑, 其中該糊中包含氧化峰丨2〇3)和二氧化鈦屮〇2) 者作為玻璃擴散抑制劑’並且以糊中無機成分 3 該玻璃擴散抑制劑之含量為12至5〇重量%。 2_如請求们之用於金屬核心基材之絕緣糊,其中係以玻璃粉末之成分包含該玻璃擴散抑制劑。 3.如請求们之用於金屬核心基材之絕緣糊, 其系以(c)陶究填料包含該玻璃擴散抑制劑。 4,如請求項丨之用於金屬核心基材之絕緣糊, 其中係以玻璃粉末之成分和⑷陶究填料包含該玻璃擴 散抑制劑。 ’ 5. 如請求項1之用於金屬核心基材之絕緣糊, 其中,以糊中無機成分之含量計,該玻璃擴散抑制劑 之含量為12至30重量%。 6. 如請求項1之用於金屬核心基材之絕緣糊, 其中,該玻螭粉末具有320至48(rc之轉化點和37〇t 至5 60°C之軟化點。 7· —種電子裝置,其包括: 板狀金屬基質; 开> 成在s玄板狀金屬基質上之一或二或更多層絕緣層丨和 形成在該絕緣層上之電子電路, 其中,至少與該電子電路接觸之該絕緣層包含氧化鋁 132434.doc 200914391 兩者作為坡壤擴散抑制 (Ai2o3)和二氧化鈦(Ti〇2)之一或 劑,且 該破螭擴散抑制劑 以該絕緣層中無機成分之含量計 之含量為12至50重量%。 8. 9. 戈口㈣水項7之電子裝置,# 含量計,該破璃擴散抑制負 如请求項7之電子裝置,其 個層壓絕緣層,並且僅蛊: 含該破續擴散抑制劑。 中以該絕緣層中無機成分之 之含量為12至30重量%。 甲該絕緣層包括兩個或更多 電子電路接觸之該絕緣層包 132434.doc
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